IGBT结温提取的几种方法

• 评估散热器的设计是否合理。
• 评估IGBT的输出能力是否能够进一步增强。
• 评估是否能够继续增加IGBT的开关频率，进一步提高整机的效率。
• 对系统的可靠性和器件的寿命进行进一步详细分析。

图1  IGBT结构简图

图2  IGBT散热原理图

测量方法

IGBT结温检测总共可以分为如下四种：

物理接触测量法：把热敏电阻或热电偶等测温元器件置于IGBT内部。

优点：比较方便，直接通过放大电路进行的读取。

缺点：不能实时读取，误差比较大。

图3  IGBT内置热敏电阻

图4  英飞凌给出的热敏电阻与真实结温的校准计算

光学非接触测量法：主要基于冷光、拉曼效应、折射指数、反射比、激光偏转等光温耦合效应的表征参数，通常采用红外热成像仪、红外显微镜等。

这种方法属于破坏性测量方法，需要将IGBT模块打开，除去透明硅脂，然后将待测器件的芯片表面涂黑，从而提高温度测量的准确性，无法用于IGBT结温的实时监测。

图5  IGBT测试前的处理

图6  红外热成像监测IGBT结温

热阻抗模型预测法：基于待测IGBT的实时损耗和瞬态热阻抗网络模型，通过仿真计算或离线查表等方法对芯片结温及其变化进行反推。

需要同时获取待测功率器件的实时损耗以及热阻抗网络才可以实现结温的精确预测，实时损耗模型以及热阻抗网络模型的精确建模非常困难，并且再IGBT的长期运行中，衬底板下的焊料层与导热硅脂均会出现不同程度的老化，事先预测的热阻网络模型会由于老化原因发生较大偏移，从而引起结温预测的误差。

图7  RC等效热网络模型

半导体物理器件的内部微观物理参数与器件温度具有一一对应的映射关系。

这种受器件内部结温影响的外部电气特征参数称之为热敏感电参数法。

热敏电参数法包括：静态热敏感电参数法和动态热敏感电参数法。

其中静态热敏感电参数法主要包括：小电流饱和压降法、大电流注入法、驱动电压降差比法、集电极开启电压法、短路电流法等。

动态热敏感电参数法主要包括：阈值电压法、内置驱动温敏电阻法等。

热敏感电参数性能比较：

图8  热敏感电参数性能比较

参考文献：

基于动态热敏电参数法的大容量IGBT模块结温在线提取原理与方法研究-罗皓泽

On-line estimation of IGBT junction temperature using on-state voltage drop

An online Vce measurement and temperature estimation method for high power IGBT module in normal PWM operation

Investigation of Temperature Sensitive Electrical Parameters for Power Semiconductors (IGBT) in Real-Time Applications

Online junction temperature measurement via internal gate resistance during turn-on.

Temperature measurement of power semiconductor devices by thermo-sensitive electrical parameters-A review.

junction Temperature Measurement of IGBTs Using Short Circuit Current as a Temperature Sensitive Electrical Parameter for Converter Prototype Evaluation.

Online High-Power P-i-N Diode Chip Temperature Extraction and Prediction Method With Maximum Recovery Current didt.

Evaluation of thermo-sensitive electrical parameters based on the forward voltage for on-line chip temperature measurements of IGBT devices.

全文完~